0 引　言

21世纪, 人类进入了大规模开发利用海洋的时期。在开发、利用、保护、管控海洋过程中, 对水下航行器的种类和性能提出了更高要求。英国切尔西公司研制的水下拖体SeaSoar, 配有倒置机翼并可以通过枢转机构调整机翼的迎角, 使其能以锯齿形式在水下航行。它主要用于搭载海洋仪器, 在可控水深进行拖曳测量^[1]。美国霍克斯海洋科技公司研制了“深飞”家族潜水器, 其很像一架有翼的水下飞机, 它的小翼可以产生向下的力克服其自身的剩余浮力, 安装有可调副翼可对不同巡航速度下的潜器身体的角度进行调整。具有良好的操纵性和较高的安全性, 主要用于载人水下观光、摄影等^[2]。中国科学沈阳自动化研究所正在研发一种基于升力原理的深海高速潜水器原理样机, 可折叠前后翼均采用倒置水翼型结构, 在航行时通过前后翼产生的下沉力实现潜水器下潜，并且还可以在水面航行, 具有下潜或上浮速度快、机动性好等特点^[3]。浙江大学对一种固定翼水下无人机进行了研究, 其可以利用自身机翼产生下潜力, 能够在水下和水面自由航行^[4]。

目前国内外开展的基于升力原理无人自主潜水器研究正处于原理样机研制阶段, 在基于升力原理无人自主潜水器的运动控制技术研究方面取得的成果较少。本文提出一种新型的基于升力原理的正浮力自主航行器, 可以实现海洋观测、情报收集、侦察搜索和救援等多项任务。针对传统自主航行器续航时间短、安全性低、环境适应能力弱等问题，摒弃传统设计理念, 对现有的水下航行器进行改进, 设计并开发基于升力原理的新型正浮力航行器。

大部分自主航行器载体设计为基于浮力原理, 在水中呈弱正浮力或中性浮力状态。面对不同海域、不同密度、不同载荷搭载需求都需要重新配平, 且配平过程繁琐^[5]。本文的正浮力航行器可避免这一麻烦, 操作方便快捷, 环境适应能力得到提高。此外, 当正浮力航行器关闭动力装置时, 会由于浮力作用自动上升到海面, 便于回收的同时摒弃了以往传统航行器在发生故障或用尽能量时通过抛弃载重确保安全的方法, 安全性得到提高。目前多数航行器都需要浮力调节装置实现上浮下潜, 基于升力原理的新型正浮力航行器能够利用其搭载的机翼在航行中产生的下沉力平衡其在水中的剩余浮力, 从而实现在水下保持设定深度巡航的功能。

使用功能强大, 集成度更高的PIXHAWK4飞控板作为控制核心, 无需浮力调节装置, 结构更为简单, 达到减小体积和重量, 提高航行能力的目的, 同时也为海空跨域两栖航行器的发展提供参考。传统的水下自主航行器采用十字型或X型分布的舵进行航向控制, 新型的正浮力航行器进行了结构上的创新, 采用了向下安装的V型舵, 在保证运动操纵灵活性的同时也使得结构更加简单。除此之外, 可以防止当航行器在水面工作时存在水面以上的舵叶受到风的干扰。这种新型航行器所具有的先进性, 将会使其在诸多特定应用环境下, 发挥良好的性能。

1 航行器设计

2019年上海交通大学研制的第一台基于浮力原理的正浮力航行器试验样机在交大海洋水下工程科学研究院试验水池中完成了出入水试验, 验证了这一概念的可行性^[6]。2021年，在第一代航行器的基础上, 设计了第2台基于升力原理的正浮力航行器, 采用操纵效果更好的V型舵和水动力性能更好的机翼, 对导流罩的外形也进行了优化, 并改用PIXHAWK4飞控板作为控制器, 进行轻量化处理, 以实现更优的性能。

1.1 概念设计图

新型水下航行器旨在获得传统自主水下航行器（AUV）、固定翼无人机、无人艇等多种航行器更高水平的集成，从而实现更灵活的水面和水下作业，以及达到更高的安全性和更强的续航能力。主要设计参数见表1，其概念设计如图1所示。

1.2 组成部分

该航行器具有与固定翼飞机相似的外形, 整机主要由5个部分组装成（见图1）, 分别为密封舱、前后导流罩、机翼、尾舵、推进系统。

前后导流罩按照水动力设计的要求为流线型，其与密封舱组成为艇体，内部布置航行和工作要求必备的元器件。机翼选择上下弧线对称的切尖三角翼，将其对称固定在密封舱两侧，其零升迎角为0°，对称翼型可以获得较好的失速性能和增升效果。当航行器在水中航行时，机翼呈一定范围的攻角，从而产生下沉力以平衡航行器在水中的剩余浮力。采用独立控制的V型舵作为尾舵，用来保持航行过程中航向稳定性和作为航行器的操纵面控制航行器的运动。V型舵沿艇体水线面向下安装，当航行器在水面工作时，可以避免存在水面以上的舵受到风的干扰。推进器是航行器的重要组成部分，其沿航行器的中心轴对称安装在艇体尾部。与传统的AUV相比，机翼的存在使航行器不需要浮力调节系统即可实现上浮和下潜，减小了航行器的重量和体积，进一步减小了航行中的阻力，从而达到提高航行速度，提高续航能力的效果。

1.3 工作过程

当航行器在水下工作时，其工作过程与传统的水下航行器基本一致，但是其自身的特点决定其工作方式与传统的水下航行器必然有一定的区别，主要分为4个阶段，如图2所示。

1）水面运动

基于升力原理的正浮力航行器操作便捷，能较长时间地在水面工作。通过调整尾舵，可以实现航行器在水面的转向运动，能像无人水面艇一样执行诸如海域巡逻侦察、海上中继通信、海洋环境调查、污染水域监测等任务。除此之外，可以利用正浮力的特点，在机身安装太阳能电池板，当航行器在水面停泊时可以将太阳能转换为电能，进一步提高续航能力。

2）下潜布放

静止状态下航行器的浮力大于重力，在水中需要机翼提供下沉力平衡剩余浮力，如果要使其保持一定姿态完成既定的任务，需要达到特定的航速。

当航行器开始下潜时，先通过推进器进行加速，然后调整航行器尾部的V型舵，改变艇体的潜浮角，使机翼具有一定的攻角，产生下沉力使航行器下潜。在巡航速度附近，整体产生的下沉力正好与其在水中的剩余浮力相等，此时航行器完成下潜。

3）水下巡航

航行器搭载深度传感器，通过调整尾舵的旋转角度和推进器转速实现深度闭环控制，完成既定深度的水下巡航，可分别控制V型舵的2个舵面，实现水下直航和首向控制。这样的控制方式，使航行器具备在复杂地形中高速航行的能力,它的结构特点决定了其作业特点是适合大范围的巡航作业，不具有水下悬停工作的能力。

4）上浮与回收

上浮过程中，为了降低能耗，减少噪声，将推进器关闭，利用惯性作用，依靠调整舵面改变航行器的姿态，同时利用机翼产生的升力，使航行器按照期望的轨迹快速上浮。当其作业任务完成时，也可以航行至预先设定的地点，仅仅依靠自身的浮力作用自动浮出水面，等待回收。

1.4 工作原理分析

根据升力环量定理, 对于任意形状物体的绕流, 只要存在速度环量, 就会产生升力, 升力方向沿着来流方向按反环量旋转90°。即

$ L = \rho {V_\infty }\varGamma 。$

(1)

式中： $ L $ 为作用在绕流物体上的升力； $\ \rho $ 为来流介质密度； $ {V_\infty } $ 为来流速度； $ \Gamma $ 为绕流物体的速度环量。

航行器定深直航时, 潜浮角 $\chi $ 的大小为0, 纵倾角 $\theta $ 与攻角 $\alpha $ 的大小相等, 其受力情况如图3所示。在垂直面内, 航行器受力平衡方程为^[7]：

$ \left\{ \begin{gathered} {X_D} + {F_D} + {E_D} + T\cos \theta = 0 ，\hfill \\ B + G + {F_L} + {E_L} + {X_L} + T\sin \theta = 0 ，\hfill \\ {M_G} + {M_B} + {M_T} + {M_{{X_D}}} + {M_{{F_D}}} + \hfill \\ {M_{{E_D}}} + {M_{{X_L}}} + {M_{{F_L}}} + {M_{{E_L}}} = 0 。\end{gathered} \right. $

(2)

式中， ${M_ * }$ 为对应力的力矩。

航行器定深航行时，由水动力产生的总升力 $L$ 和总阻力 $D$ 可表示为：

$ L = \frac{1}{2}\rho {V^2}({l^2}{c_x} + {S_f}{c_f} + {S_e}{c_e}) ，$

(3)

$ D = \frac{1}{2}\rho {V^2}({S_l}{d_x} + {S_f}{d_f} + {S_e}{d_e}) 。$

(4)

式中： $\rho $ 为流体密度; $l$ 为航行器特征长度; ${S_l}$ ， ${S_f}$ 和 ${S_e}$ 分别为艇身、机翼和尾舵的迎流面积; ${c_x}$ ， ${c_f}$ 和 ${c_e}$ 分别为艇身、机翼和尾舵的升力系数; ${d_x}$ ， ${d_f}$ 和 ${d_e}$ 分别为艇身、机翼和尾舵的阻力系数。

航行器利用机翼进行滑翔上浮, 在上浮过程中并不需要开启螺旋桨, 因此推力为零。将重力与浮力的合力记为 $\Delta B$ , 此时航行器的受力情况可简化为

$ \left\{\begin{array}{l}{F}_{水平}=L\mathrm{sin}\chi +D\mathrm{cos}\chi ，\\ {F}_{竖直}=-L\mathrm{cos}\chi +D\mathrm{sin}\chi +\Delta B。\end{array}\right. $

(5)

航行器在水面航行时, 受力情况如图4所示。

受力平衡方程为：

$ \left\{ \begin{aligned} &G + B = 0 ，\hfill \\ & T + {X_D} + {F_D} + {E_D} = 0，\hfill \\ & {M_G} + {M_B} + {M_T} + {M_{{X_D}}} + {M_{{E_D}}} + {M_{{F_D}}} = 0 。\end{aligned} \right. $

(6)

传统AUV采用十字型或X型舵加推进器的方式进行航行控制, 新型的正浮力航行器运动控制主要由尾部的推进器和V型舵完成, V型舵的2个舵叶分别由2个防水舵机进行控制。新型航行器的舵叶分布情况如图5所示。

定义如下规则^[8]：

1）2个舵叶有效面积相同, 舵轴中心线分别与艇的纵中对称面呈45°夹角, 其中舵叶1为左下舵, 舵叶2为右下舵。

2）舵机转动正方向遵循右手定则，法线正向为从载体尾部中心点沿着舵叶方向向外， ${\delta _1}$ 和 ${\delta _2}$ 分别表示舵机1和航机2的转动角度。

以分析V型舵对航向和深度的操纵效果为目的，故忽略 $x$ 方向的分力，用 ${F_y}$ 和 ${F_z}$ 分别表示2个舵叶在 $Oyz$ 平面上沿 $y$ 轴和 $z$ 轴的合力， ${K_t}$ 为舵角到舵力的转换系数, 则合力如下式：

$ \left\{ \begin{gathered} {F_y} = - \frac{{\sqrt 2 }}{2}{K_t} \cdot ({\delta _1} + {\delta _2})，\hfill \\ {F_z} = \frac{{\sqrt 2 }}{2}{K_t} \cdot ({\delta _1} - {\delta _2})。\hfill \\ \end{gathered} \right. $

(7)

当航行器左转时， ${F_y} > 0$ ；右转时， ${F_y} < 0$ ；上浮时， ${F_z} > 0$ ；下潜时, ${F_z} < 0$ 。

2 控制系统设计 2.1 控制系统硬件设计

电子控制系统是航行器的大脑, 其主要由5个部分组成，即主控制器、电源管理模块、传感器模块、电机驱动电路、无线通信模块, 各部分电路通过串口等方式进行连接。航行器电控系统总体框图如图6所示。

1）主控制器

使用PIXHAWK4飞控板作为主控制器，其有大量的外设接口，并具有双处理器。一个是擅于强大运算的32位核心处理器STM32F765，还有一个是主要定位于工业用途的32位协处理器STM32F100。它的特点是安全稳定，即使主处理器发生死机，还有一个协处理器保障安全。PIXHAWK4内部还搭载有16位陀螺芯片、14位加速度/磁场芯片、三轴加速度/陀螺仪等传感器，并且集成micro SD卡控制器，可以进行高速数据记录。使用PIXHAWK4飞控板也为下一步海空跨域两栖航行器的开发奠定基础。

2）电源管理模块

航行器使用格氏锂电池作为动力源。电源管理模块包括电池组、电源管理电路、直流降压模块。电源管理电路板负责检测电池组的工作情况，直流降压模块为电控系统提供多种型号的电压以及进行电气隔离，特别是防止推进器的大电流和强磁场通过地线干扰整个电控系统。设计有过流和过压保护功能，能有效保护其他电子设备。

3）传感器模块

除了PIXHAWK4内部集成的与航行器运动有关的传感器以外，还另外搭载GPS、温度传感器、漏水检测传感器以及配有深度解算板的深度传感器。

4）电机驱动电路

航行器的运动是依靠推进器来实现的。选用开放式防水的推进器，相较传统封闭式防水推进器，其体积更小，重量更轻，整体结构更为精简。电机为外转子无刷电机，与普通直流电机相比其最大的特点是没有换向器和电刷组成的机械接触结构。需要使用无刷电调来驱动推进器，电调输入是直流，输出是三相脉动直流，直接与电机的三相输入端相连，能够根据控制信号调节电动机的转速。

5）无线通信模块

使用433MHz数传电台实现计算机与主控制器的无线通信。数传电台采用数字信号处理（DSP）可以获得很高的接收信号灵敏度，在开阔的空气环境中，可实现1000 m的传输距离。数字调制能实现9600～19200 bps的数据传输速率，且抗电磁干扰能力强。

2.2 控制策略

基于升力原理的正浮力航行器需要遵循一定的规则来实现期望的运动形式^[9], 其运动控制框图如图7所示。选用PID控制器。通过改变航行器尾部的V型舵旋转角度和推进器转速，达到控制航行器运动状态的目的。

2.2.1 纵向运动控制策略

通过调整V型舵2片舵叶使其同时向不同方向旋转相同的角度（见图8）, 此时在侧向平面的合力矩为零, 从而达到控制航行器纵向运动状态的目的, 此时V型舵有2个作用。

一方面平衡航行器在航行过程中机翼产生的纵倾力矩。航行器在航行过程中，机翼流体动力焦点与整机流体动力焦点不在一条铅垂线上，会产生一个令其抬头的力矩。调整V型舵的初始状态，使其产生一个反向低头力矩，与机翼产生的力矩平衡，使航行器在巡航状态下保持设定的姿态。

另一方面控制航行器的纵倾姿态，实现定深航行。当改变V型舵的转动角度时，其上产生的升力发生变化，此时V型舵产生的力矩不再与机翼产生的力矩平衡，航行器受到一个低头或者抬头的合力矩，使航行器在纵向运动的航行姿态发生变化，直到达到预期的目标。根据航行器的航行速度，再次调整V型舵的旋转角度，使其能够在期望深度下达到平衡状态，稳定航行。

2.2.2 侧向运动控制策略

通过调整V型舵的2片舵叶使其分别旋转不同的角度，达到控制航行器在侧向平面内运动状态的目的, 此时V型舵有3个作用：

1）保证航行器航向稳定。航行器在航行中，倘若受到侧向的扰动，将产生航向偏转角，此时通过控制V型舵产生恢复力矩，阻止航向的偏转趋势，能够保证航行器的航向稳定性。

2）控制航行器的首向姿态。改变V型舵的转动角度，使其产生一个转动力矩，从而改变航行器的首向姿态，直到达到期望目标，再次调整V型舵的旋转角度，使其在新的平面内达到平衡状态，稳定航行。

3）控制航行器的横滚姿态。当分别改变V型舵2片舵叶的转动角度时，V型舵差动形成绕航行器纵向坐标轴旋转的力矩，从而控制航行器的横滚姿态，直到达到期望目标，再次调整V型舵的旋转角度，使其在新的平面内达到平衡状态，稳定航行。

3 试验验证

为了测试尾舵的操控性能和验证控制系统的性能和可靠性，基于升力原理的正浮力航行器进行了多次湖上试验。

试验选在水面开阔的湖泊，湖水最大深度为3.5 m。试验前先在岸上对航行器的传感器采集、运动控制等基础功能进行测试，基础功能测试通过后再对航行器密封舱进行气密性检测，按照制定好的试验方案，做好航行器入水前准备，确保航行器处于稳定、可靠的状态，以避免造成航行器的意外损失。试验过程中，指令由岸边计算机通过数传电台传达给航行器，使其完成了直航、水平回转、下潜、上浮、回收等规定动作。试验数据通过micro SD卡进行存储，并利用无人机进行俯拍记录。

3.1 直航运动

在直航试验过程中，航行器保持在3 kn的航速下前进，图9为直航时首向角变化曲线。试验发现其首向角变化很小，说明航行器本身的水动力外形能基本保持其直航运动。

3.2 水平面回转运动

航行器在水平面内做回转运动的回转半径是评价其性能优劣的重要指标。先调整尾舵至初始状态，在该状态下尾舵产生的阻力最小，且保持螺旋桨转速一定，航行器在水平面内做直航运动。在运动时间为30 s时，改变其方向舵角，给予两舵各10°的舵角，航行器能够快速响应转弯，图10为湖上试验航行轨迹图。由试验结果可知，回转半径为4.65 m，运动轨迹为圆形，说明了尾舵具有良好的操控性。该航行器的回转半径较传统的十字型尾舵航行器的更小，说明航行器具有较好的机动性能。测试时，湖面存在风的影响，且湖水本身具有一定的流动性，航行器仍能够在受到扰动时较快地进入稳定状态，说明其具有良好的稳定性。

3.3 垂直面上浮下潜运动

研究航行器在垂直面内的运动，将螺旋桨转速与尾舵舵角作为输入变量。首先调整推进器转速使航行器具有一定的初速度，在水面保持直航，然后改变尾舵舵角，使航行器保持一定的攻角，两侧机翼产生下沉力抵消剩余浮力，航行器实现下潜。图11为深度与纵倾角随时间变化的曲线，试验过程中航行器最大下潜深度为3.0 m，下潜时间约为5.99 s，平均下潜速度约为0.50 m/s，下潜时最大纵倾角为−15.7°。

通过2种方式进行航行器上浮测试试验。一种是推进器转速保持恒定，通过调整尾舵舵角从而改变航行器的攻角实现上浮；另一种是减小螺旋桨转速或关闭推进器实现航行器的上浮。

由试验结果可知，航行器无论上浮还是下潜，航行器都能按照预期方式实现运动，该过程中其潜浮角能够有效且稳定地进行控制。航行器航迹符合输入量控制的要求，验证了航行器垂直面内上浮和下潜工作模式的合理性与快速性。

4 结　语

本文提出并设计了一种新型的水下航行器——基于升力原理的正浮力航行器。正浮力的特点使得航行安全性、环境适应能力得到提高，在抛载、回收等方面更便捷。基于升力原理，不用安装浮力调节机构，航行时依靠其搭载的机翼在航行中产生的下沉力平衡在水中的剩余浮力，升阻比大且易于维护。

目前，该航行器仍处于研究阶段，还有部分需要解决的技术问题。例如：水下的高速通信传输系统；水下系统的运动稳定性；系统中带有对移动目标的自动跟踪与自主避障功能等。除此之外，由于该航行器以升力原理和正浮力为特点，可在此基础上，进行轻量化设计，开发微小型化的控制系统与导航系统等，为将来海空跨域两栖航行器的开发打下基础，具有较好的应用前景。